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Hierarchical Encryption

Basic Encryption​

暗号化アルゴリズムのベースとなる暗号化キーには、公開鍵暗号化方式と共通鍵暗号化方式が使用されています。

  • 公開鍵暗号化方式

    公開鍵ペアの秘密鍵は、データ所有者のマスターアクセス権として機能します。

    ECIES標準の公開鍵暗号化方式が使用されています。

  • 共通鍵暗号化方式

    共通鍵は、データ所有者のルートのフォルダに紐づいているGLOBAL_KEY, ルート配下の各フォルダに対応しているGROUP_KEY, データそのものを暗号化するDATA_KEYに分けられ、秘密鍵⇨GLOBAL_KEY⇨GROUP_KEY⇨DATA_KEYの順で暗号化されることで、階層的な暗号化が実現されています。

    AES-256-GCMが使用されています。

How it works​

対称鍵（共通鍵）をベースとした階層的暗号化構造によるフォルダ構造​

For Developersセクションで述べたように、CryptoShepherds Protocolでは、単一のデータのアクセス制御だけで、それに紐づくすべてのデータを共有することと、分散型ストレージに暗号データを構造的に保存することを両方実現することで、分散型のデータ制御のスケーラビリティを高めています。

これを実現するため、フォルダ構造は、対称鍵（共通鍵）をベースとした階層的暗号化構造によって実現されています。

基本的なコンセプト​

基本的なコンセプトは、以下の2つを実現することです。

  1. 対称鍵（共通鍵）により順次暗号化されたデータを分散型ストレージに保存する
  2. 分散型ストレージに保存された暗号データを、順次取得することで、フォルダ構造に対応した暗号化キーを用いて復号する

これにより、フォルダ構造に対応した暗号化キーを用いて、分散型ストレージに対称鍵をベースとした暗号文によるフォルダ構造を作成することができます。

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実際のCryptoShepherds Protocolのメソッドを対応させながら、ロジックを簡単に見ていきましょう。

/家族/お父さん/子供時代フォルダに、入学式.jpgというデータを保存するケースを考えます。

createFolder('/家族/お父さん/子供時代');
saveData('/家族/お父さん/子供時代', '入学式.jpg', data);
loadData('/家族/お父さん/子供時代', '入学式.jpg');

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この時、/家族フォルダには対応したGLOBAL_KEYが割り当てられ、/家族/お父さんフォルダには対応したGROUP_KEYが割り当てられ、/家族/お父さん/子供時代フォルダには対応したGROUP_KEYが割り当てられ、入学式.jpgデータには対応したDATA_KEYが割り当てられます。

そして、マスターアクセス権としての公開鍵ペアの公開鍵から公開鍵⇨GLOBAL_KEY⇨GROUP_KEY⇨DATA_KEYの順で暗号化を行い、暗号化されたデータを分散型ストレージに保存します。

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保存したデータを取得する際には、分散型ストレージに保存された暗号データを順次取得して、ルートの秘密鍵から秘密鍵⇨GLOBAL_KEY⇨GROUP_KEY⇨DATA_KEYの順で復号すれば、入学式.jpgデータを取得することができます。

具体的なロジック​

では、対称鍵（共通鍵）をベースとした階層的暗号化構造について、詳しく見ていきましょう。

フォルダ構造の例​

※ 例では、説明のため、実際の実装を簡略化して説明しています。

例えば、４層のフォルダとそれに保存されるデータについて考えてみます。

/a/b/c/dフォルダを作成して、dフォルダの中にdataを保存するケースを考えます。

対称鍵（共通鍵）をベースとした階層的暗号化構造では、フォルダに対しての暗号化キーの割り当てを行います。 具体的なプロセスとしては、入力されたファイルパスから、割り当てる暗号化キーを生成します。

まずは、/a/b/c/dを入力されたファイルパスとして、/a/b/c/dに対して割り当てる暗号化キーを生成します。

/a ⇨GLOBAL_KEY：Tags （name: “GLOBAL”, value: /a ）

/a/b ⇨GROUP_KEY：Tags （name: “GROUP”, value: /a/b ）

/a/b/c ⇨GROUP_KEY：Tags （name: “GROUP”, value: /a/b/c ）

/a/b/c/d ⇨GROUP_KEY：Tags （name: “GROUP”, value: /a/b/c/d ）

Dataに対しては、無条件に一つのデータに対して一つのDATA_KEYが割り当てられます。

ただし、データにはファイル名を命名する必要があります。ここでは、fileAとします。

data ⇨DATA_KEY：Tags （name: “DATA”, value: fileA ）

ルートのマスターアクセス権としての公開鍵からパス順に暗号化して、暗号文を生成します。

Enc(a;b)を鍵aを用いてbを暗号化すること、Dec(c;d)を鍵cを用いてdを復号することとします。

全く新しいフォルダかどうか判定

→/a/b/c/d について、/a 、/a/b 、/a/b/c 、/a/b/c/d に対応するtxIdが分散型ストレージ（Arweave）に存在するかどうか走査します。

  1. /a が存在しない場合、それ以下の/a/b 、/a/b/c 、/a/b/c/d も存在しないので、/a 、/a/b 、/a/b/c 、/a/b/c/d の全てに関して暗号化キーを生成。
  2. /a は存在するが、/a/b は存在しない場合、それ以下の/a/b/c 、/a/b/c/d も存在しない。/a/b 、/a/b/c 、/a/b/c/d に関して暗号化キーを生成。 ただし、暗号化キーの生成スタートが/a/b と/が二つ続いているので、GROUP_KEYからの生成である。
  3. 以下同様にすることで、「全く新しいフォルダ」の存在を見つける。

保存

  • 全く新しいフォルダに保存

    全く新しいフォルダ/a/b/c/d にdata (fileA)を保存する場合を考えます。

  1. 「全く新しいフォルダかどうか判定」ロジックから、/a/b/c/d に対応するtxIdが存在しないことがわかる。

  2. Enc(DATA_KEY(fileA);data (fileA)) → C(data)

    →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “RAW_DATA”, value: fileA ）

  3. Enc(GROUP_KEY(/a/b/c/d);DATA_KEY( fileA)) → C(DATA_KEY( fileA))

    →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “DATA_KEY”, value: fileA ）

  4. Enc(GROUP_KEY(/a/b/c);GROUP_KEY(/a/b/c/d)) → C(GROUP_KEY(/a/b/c/d ))

    →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b/c/d ）

  5. Enc(GROUP_KEY(/a/b);GROUP_KEY(/a/b/c)) → C(GROUP_KEY(/a/b/c))

    →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b/c ）

  6. Enc(GLOBAL_KEY(/a);GROUP_KEY(/a/b)) → C(GROUP_KEY(/a/b))

    →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b ）

  7. Enc(公開鍵;GLOBAL_KEY(/a)) → C(GLOBAL_KEY(/a))

    →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “GLOBAL”, value: /a ）

/a/b/c/d フォルダが作成され、フォルダ d の中に、data (fileA)が保存された。

既存のフォルダに保存

data (fileB)を/a/b/p に保存する場合を考えます。(/a/b はすでに存在。配下の p は新規作成)

  1. 「全く新しいフォルダかどうか判定」ロジックから、/a/b/p に対応するtxIdが存在しないことがわかる。

  2. /a/b 配下の p フォルダを新規作成するために、/a/b の復号されたGROUP_KEYが必要。

    txId(Tags: name: “GLOBAL”, value: /a )でC(GLOBAL_KEY(/a))を取得

    Dec(公開鍵 ;C(GLOBAL_KEY(/a)) → GLOBAL_KEY(/a))

    txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b ）でC(GROUP_KEY(/a/b))を取得

    Dec(GLOBAL_KEY(/a) ;C(GROUP_KEY(/a/b))) → GROUP_KEY(/a/b)

  3. 「保存」の暗号化ロジックで暗号化して保存

    1. Enc(DATA_KEY( fileB);data (fileB)) → C(data)

      →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “RAW_DATA”, value: fileB ）

    2. Enc(GROUP_KEY(/a/b/p);DATA_KEY( fileB)) → C(DATA_KEY( fileB))

      →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “DATA_KEY”, value: fileB ）

    3. Enc(GROUP_KEY(/a/b);GROUP_KEY(/a/b/p)) → C(GROUP_KEY(/a/b/p ))

      →arweaveに保存⇨txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b/p ）

  4. GROUP_KEY(/a/b)より上の暗号化構造は変わらないから、GROUP_KEY(/a/b)を削除して終了。

/a/b/p フォルダが作成され、フォルダ p の中に、data (fileB)が保存された。

取得

/a/b/p のdata (fileB)にアクセスしたいときを考えます。

  1. txId(Tags: name: “GLOBAL”, value: /a )でC(GLOBAL_KEY(/a))を取得

    Dec(秘密鍵 ;C(GLOBAL_KEY(/a)) → GLOBAL_KEY(/a))

  2. txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b ）でC(GROUP_KEY(/a/b))を取得

    Dec(GLOBAL_KEY(/a) ;C(GROUP_KEY(/a/b))) → GROUP_KEY(/a/b)

  3. txId（Tags: name: “GROUP”, value: /a/b/p ）でC(GROUP_KEY(/a/b/p))を取得

    Dec(GROUP_KEY(/a/b) ;C(GROUP_KEY(/a/b/p))) → GROUP_KEY(/a/b/p)

  4. txId（Tags: name: “DATA_KEY”, value: fileB ）でC(DATA_KEY(fileB))を取得

    Dec(GROUP_KEY(/a/b/p) ;C(DATA_KEY(fileB))) → DATA_KEY(fileB)

  5. txId（Tags: name: “RAW_DATA”, value: fileB ）でC(data)を取得

    Dec(DATA_KEY(fileB) ;C(data)) → data (fileB)

data (fileB)が返されればアクセスできる。